7.44. Общие химические свойства металлов

Общие химические свойства металлов

По химическим свойствам металлы являются восстановителями, так как легко отдают свои электроны атомам неметаллов, превращаясь в положительно заряженные ионы — катионы.

Способность атомов металлов отдавать, а их катионов — присоединять электроны может служить мерой их химической активности. Так, алюминий на воздухе очень быстро покрывается оксидной пленкой, а с золотом заметных изменений не происходит. Цинк активно взаимодействует с соляной кислотой, а серебро — нет. Поэтому алюминий и цинк можно отнести к активным металлам, а золото и серебро — к неактивным.

Ряд активности металлов

Химическую активность разных металлов легко сопоставить, анализируя их поведение в водных растворах солей и кислот. Например, если в раствор сульфата меди(II) опустить цинковую пластинку или железный гвоздь, то практически сразу же на их поверхности появляется красноватый налет меди. Это свидетельствует о том, что цинк и железо вытесняют медь из раствора. Эти процессы можно представить следующими уравнениями:

Zn + CuSО4 = ZnSО4 + Сu↓,

Zn0 + Сu2+ = Zn2+ + Cu0;

Fe + CuSО4 = FeSО4 + Сu↓,

Fe0 + Cu2+ = Fe2+ + Сu0.

В этих реакциях цинк и железо отдают свои электроны ионам меди, то есть они окисляются. Ионы меди принимают электроны, поэтому медь восстанавливается.

Если поступить наоборот и в раствор сульфата цинка поместить медную пластинку, то на ней не произойдет осаждения цинка. В чем тут причина?

Экспериментальным путем, изучая способность одних металлов вытеснять другие из водных растворов их солей, русский ученый Н. Н. Бекетов расположил металлы в ряд. В нем металлы, находящиеся левее, способны восстанавливать последующие из растворов их солей. Поскольку эта способность металлов связана с их восстановительной активностью, то этот ряд получил название ряда активности металлов.

Ряд активности металлов

Li K Ba Sr Cа Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb (H2) Cu Hg Ag Pd Pt Au

Чем левее в этом ряду расположен металл, тем большими восстановительными свойствами в водном растворе он обладает, то есть легче отдает свои электроны окислителю и переходит в виде катиона в раствор; тем труднее катион этого металла восстанавливается. Цинк и железо легче отдают свои электроны, чем медь, и поэтому восстанавливают Cu2+ из раствора.

По положению цинка в ряду активности можно прогнозировать, что этот металл способен восстановить из раствора ионы олова, меди и серебра:

Zn0 + Sn2+ = Zn2+ + Sn0;

Zn0 + Сu2+ = Zn2+ + Cu0;

Zn0 + 2Ag+ = Zn2+ + 2Ag0.

В то же время медь будет восстанавливать только ионы серебра, но не восстановит ионы олова:

Cu0 + 2Ag+ = Cu2+ + 2Ag0.

Это означает, что цинк обладает большей восстановительной способностью. Он легче отдает электроны, чем олово, медь и серебро. Поэтому цинк считается более активным металлом, чем эти металлы. В свою очередь, медь — более активный металл, чем серебро.

Ряд активности металлов позволяет не только прогнозировать поведение металлов в реакциях с растворами солей, но и сравнивать их отношение к воде, растворам кислот, а также к неметаллам и ряду других веществ.

Так, слева от водорода расположены металлы, которые вытесняют водород из воды и кислот (то есть восстанавливают ионы водорода Н+). Металлы, расположенные справа от водорода, такой восстановительной активности в реакциях с растворами кислот не проявляют. Например, цинк реагирует с соляной кислотой, вытесняя водород:

Zn + 2НСl = ZnCl2 + Н2↑,

Zn0 + 2Н+ = Zn2+ + ,

а серебро водород не вытесняет.

вопросы

1. Назовите характерные для металлов физические свойства.
2. Перечислите p-элементы, которые относятся к элементам-металлам.
3. Расставьте коэффициенты в уравнении реакции методом электронного баланса: Cu + HNO3(разб) → Cu(NO3)2 + NO↑ + H2O.
4. Составьте уравнения возможных химических реакций с учетом, что медь окисляется до степени окисления +2:

   а) Ag + НСl →; б) Сu + Hg(NО3)2 → ;

   в) Mg + H2SО4(pазб) →; г) Ni + NaCl → ;

   д) Zn + АgNО3 → ; е) Au + H2O → .

5. Составьте уравнения реакций взаимодействия цинка с неметаллами (O2, P), кислотами (разбавленными HCl, H2SO4), с растворами щелочей (NaOH, KOH), с солями (AgNO3, Pb(NO3)2).
6. Цинк массой 1,3 г растворили в концентрированном растворе гидроксида натрия. Рассчитайте объем выделившегося газа.
7. Составьте уравнения реакций, которые могут протекать на поверхности активного металла, например лития, на воздухе.
8. Укажите, как изменится масса цинковой пластинки (увеличится, уменьшится, не изменится) при погружении ее на небольшое время в раствор: 1) серной кислоты; 2) гидроксида натрия; 3) сульфата магния; 4) сульфата меди(II); 5) нитрата серебра(I).
9. Определите объем водорода, который выделится при взаимодействии 260 г цинка с раствором серной кислоты объемом 250 см3. Массовая доля H2SO4 равна 15 %, плотность — 1,1 г/см3.
10. Железную пластинку массой 90 г погрузили в раствор медного купороса. Через некоторое время ее вынули, промыли, высушили и взвесили. Масса стала равна 92,4 г. Определите массу прореагировавшего железа и массу меди, осевшей на пластинке.

*Самоконтроль

1. В порядке увеличения восстановительной активности металлы расположены в ряду:

• а) Mg, Ca, Na;
• б) Cu, Ag, Hg;
• в) Cа, K, Cs;
• г) Zn, Al, Pb.

2. Реагируют с растворами щелочей:

• а) Zn;
• б) Ca;
• в) Al;
• г) Be.

3. Реагируя с парами воды, образуют оксиды:

• а) Li;
• б) Ag;
• в) Fe;
• г) Zn.

4. Масса цинковой пластинки увеличится при погружении ее в раствор:

• а) Hg(NO3)2;
• б) Cu(NO3)2;
• в) AgNO3;
• г) HNO3.

5. На растворение 13 г цинка требуется раствор, содержащий гидроксид натрия массой (г):

• а) 40;
• б) 20;
• в) 16;
• г) 4.